螺桿泵轉子型面精密成形磨削技術分析

黃瑋

（大慶油田裝備制造集團力神泵業公司，黑龍江 大慶 163000）

螺桿泵成型加工過程當中，螺桿誤差和砂輪磨損、安裝角度誤差以及安裝距離息息相關，對于以上問題深入研究，能夠尋找螺桿轉子磨削誤差的補償措施，提高其精密成形的磨削效率，為精密磨削技術應用提供支撐。

1 螺桿泵轉子測量原理和誤差測量方法

1.1 砂輪的磨損特性

螺桿轉子的成型磨削階段，轉子、砂輪二者之間存在穩定接觸線，切削過程，接觸線會圍繞螺桿軸線做旋轉運動，將多余的材料切除，形成螺桿型面。因此，如果接觸線發生變化，就會造成螺桿的型面產生誤差。在生產過程，無論是砂輪的安裝，還是砂輪磨損參數變化，都會造成接觸線變化。因此，螺桿轉子在磨削階段，要保證砂輪廓形準確，必須要對其進行修整，按照實際尺寸調整砂輪的安裝參數，重新獲得接觸線。所以螺桿轉子磨削加工過程，砂輪磨損問題難以避免，所以對于其磨損情況和螺桿的廓形誤差之間影響關系對于誤差補償措施的尋找具有重要價值。

（1）氧化鋁砂輪的磨損分析。磨削加工階段，可能受到物理、化學、機械等方面相互作用，導致砂輪出現磨損，削弱其磨削能力，砂輪受損以后，應用過程會產生噪聲和振動，還會對于工件表面造成影響，幾何精度也難以得到保證。具體而言，磨損形式有如下幾種。第一，磨耗磨損，磨削加工階段，由于工件表面和磨粒之間產生摩擦，磨粒、磨削區會出現塑性變形、化學反應，導致磨粒變鈍，產生磨損小平面。磨粒變鈍數量越多，磨削力增加越明顯，就會導致工件外表出現震顫、燒傷等情形。第二，破損磨損，還包括磨粒破碎、脫落兩種形式。磨削加工階段，如果磨粒應力高于其本身強度，就會出現碎片脫落情形。磨粒之間結合劑如若斷裂，就會從砂輪的上方脫落。以上情形均可導致空間尺寸精度受影響，然而適度脫落、破碎可將鈍化磨粒更新，具有自銳的功效。第三，堵塞黏附，當磨粒經過磨削區，受到高溫、高壓等情況影響，被磨削材料也會在磨粒上黏附，磨削階段，工件、黏附物之間重新接，還會導致磨粒脫落、磨粒破損等情況，如果黏附物粘在砂輪外表，會導致砂輪的切削作用失去，磨屑堵塞磨粒間隙，導致砂輪磨削出現問題。在磨削階段，磨損情況和工件、砂輪材料，磨削條件、磨削液等均相關。

（2）SG砂輪磨損。SG材料屬于低溫結合劑，和常規砂輪相互對比，其硬度更高，因為磨粒屬于微晶結構，存在多個晶解面，受到外力作用之影響，導致微晶脫落，能實現連續鋒利切削刃，因為其磨削性能優良，所以可以普遍應用于儀器、航空、軸承、模具等成型磨削加工。螺桿轉子在精密磨削加工過程，磨削深度在0.02mm以內，實際上利用砂輪（60目）磨粒直徑均尺寸0.255mm，磨削深度、磨粒直徑比在0.078，因此，單獨磨粒承受剪切力較小。此類磨料砂輪磨削性能良好，磨削期間磨粒脫落、斷裂可被忽略，砂輪磨損形式包括磨料磨損、晶體微斷裂，雖然砂輪磨削性能良好，但是廓形精度和螺桿廓形要求不符，成形砂輪需要頻繁修整，降低其磨削效率，因此需要探究誤差原因，尋找補償措施，才能提高精密磨削效率。

1.2 轉子精密磨削誤差

為了判斷中心距、安裝角以及砂輪磨損對于螺桿的廓形誤差產生影響，將砂輪磨損量難以測量考慮其中。需要對于砂輪磨損對于螺桿的廓形誤差影響進行深度分析，通過安裝參數差異，對于砂輪磨損螺桿轉子展開仿真研究。

為了獲取安裝距、螺桿轉子之間廓形誤差關系，可設定不同的中心距，通過仿真實驗，獲得轉子的廓形誤差，明確其分布規律，如果中心距超過理論值，仿真廓形會比理論廓形的正誤差大；相反，如果中心距低于理論值，仿真廓形就會比負誤差小，同時，螺桿轉子的廓形誤差跟隨中心距誤差逐漸增加，不難看出，轉子齒面、齒根存在的誤差有顯著差別。轉子廓形底部的圓弧段誤差和中心距誤差相等。

同樣，對于安裝角度影響廓形誤差規律進行分析，和中心距仿真類似，設置差異化的預設角度，結果顯示，如果安裝角度超過理論值，側面的擺線段廓形低于理論負誤差；如果安裝角度超過理論值，則螺桿轉子廓形誤差就會隨著角度誤差的增加逐漸增大。安裝角度的誤差恒定，螺旋槽側面誤差處于穩定狀態。

分析砂輪磨損對于螺桿轉子的廓形誤差產生影響，同樣是設定磨損值，利用評估方法進行測試。結果顯示，廓形處于根部圓弧段、側面擺線段的時候都會出現廓形誤差問題，根部誤差、側面誤差有顯著差異。根部弧段廓形誤差和砂輪磨損值相等，側面擺線段廓形誤差超過砂輪法向的磨損值，隨著轉子的半徑增加逐漸減小，然而側面誤差還是要超過根部誤差。

實際磨削加工階段，為確保磨削精度，特別是精磨階段，需要尋找磨削誤差補償方式，調整安裝參數，重新展開仿真實驗，不斷提高砂輪使用壽命，實現磨削效率、精度提升之目的。

1.3 螺桿專責原理及誤差分析

螺桿轉子精密成形需要利用高精度檢測技術，因此，檢測精度能夠決定轉子的加工精度。因為螺桿轉子的型線種類復雜，檢測精度屬于螺桿轉子精密制造攔截難點部分。因此，需要對螺桿轉子的測量技術深入研究，有助于螺桿轉子的檢測效率提高，控制檢測成本，將其加工精度有效提高。

對于測量中心的工作原理進行分析，由于螺桿轉子精密成形加工需要利用高精度檢測工藝。但是，螺桿轉子的線型復雜，和蝸桿和齒輪這類固定型線不同，精密檢測為螺桿精密制造過程面臨的難點。因為，當前還沒有螺桿轉子專用測量儀器，要對其采取精密測量，主要是利用齒輪測量中心完成，還可使用三坐標法，對于測量數據展開處理，和理論模型對比，分析螺桿轉子的誤差。齒輪測量中心的組成部分包括測量軟件、控制系統和機械系統，測量軟件能夠對蝸桿、齒輪進行測試，機械部分包括水平、縱向、豎直等移動軸。齒輪測量中心無專門測量軟件對于螺桿轉子進行測量，這樣螺桿轉子測量難度增加。

實際上，精密制造環節該情況普遍存在，屬于技術難題。對此，測量階段可以將螺旋曲面看作成普通曲面，平掃特定平面。測量過程，以測頭作為中心點的坐標，難以獲取螺桿的廓形數據，掃描過程沒有測量基準，因此，對于獲取數據還需進行處理。

為確認轉子誤差項，需要對其進行檢測，雖然國家對于螺桿轉子的誤差項檢測標準還未明確，但是，螺桿泵屬于容積式轉子泵，主要是利用陰陽轉子、多螺桿泵嚙合空間的容積變化輸送液體增壓。如果齒形誤差高于允許值，可能使螺桿泵運行出現卡死問題，難以正常安裝。同時，螺桿轉子產生的齒形誤差也會影響螺桿泵嚙合間隙，對于其容積效率造成影響。因為螺桿轉子屬于螺旋曲面，陰陽轉子的齒面屬于整個導程上方為全嚙合狀態，所以螺桿轉子處于徑向截面產生的齒形誤差務必要嚴格控制。螺桿轉子的螺旋面是端面齒螺旋運動而產生，陰陽螺桿的轉子具有全嚙合特點，無論是齒距誤差，還是導程誤差，都會導致螺桿轉子嚙合不準，需要對其誤差嚴格控制。因此，螺桿轉子齒距、導程是節圓導程角而決定，所以，以上誤差可以借助軸向截面的節圓處真實齒距、導程等確認，之后對比理論數值，從而找到齒距和導程的誤差。

因為齒形誤差數據可以掃描鏡徑向截面而獲得，所以，導程誤差和齒距誤差同樣可以利用以上方式獲得。然而，廓形掃描不可以直接獲取螺桿三維數據，而是要按照螺桿轉子的成形原理，處理掃描數據，根據理論模型，對比加工誤差。

2 螺桿泵轉子型面精密成形磨削技術應用

本研究選擇SUG500H型號的成形磨床展開磨削加工，成形參數如下：安裝直徑最大值500mm，頂間距最大值1250mm，螺旋角最大值±90°，工作臺的行程最大值900mm，砂輪主軸最高轉速32500rpm，砂輪直徑350mm，工件最大重量350kg。利用P26齒輪測量對于齒形誤差進行測量，最高測量的外徑260mm，寬度400mm，測量精度1μm，頂尖距介于15～600mm之間。在粗糙度測量方面，選擇對應測量儀器，儀器為電感傳感器，分辨率16nm，量程1mm，測量力0.7～1mN。

對于螺桿轉子的廓形誤差展開實際測量，選擇中陽轉子作為測量對象，并利用成型磨床展開磨削加工，結果顯示齒根圓弧段的最低曲率半徑即為齒根的圓弧半徑。因為齒根、齒面的側面過渡位置長度0.26421mm，所以選用測頭半徑0.5mm。具體測量環節，還需對于螺桿的特定截面展開掃描，通過P26齒輪的測量中心，掃描螺桿轉子的截面。對測量數據展開分析，發現齒根圓弧的誤差值在0.5mm區域處于穩定狀態，螺桿齒面的誤差呈不均勻狀態分布，通過誤差補償方法的應用，對于測頭半徑進行補償，補償以后平均誤差0.0051mm，誤差最大值0.013mm，齒根圓弧誤差能夠達到公差要求，齒面誤差區域超過0.01mm，根據誤差結果，分析可能為砂輪的安裝角度存在問題。

為了驗證誤差補償的方法運用是否合理，選擇對比實驗，先標定砂輪的磨損，獲取磨損量數據，之后進行誤差補償的驗證。試驗過程，先利用砂輪對于2根螺桿和4個螺旋槽進行連續磨削，按照廓形誤差對于砂輪磨損量反推。

實驗過程，隨著時間推移，轉子的廓形誤差逐漸增加，因為轉子在精密磨削階段背吃刀量相對較小，從而產生磨削力也相對較小，所以研究過程可忽略砂輪、機床受力變形情況，認定螺桿廓形的誤差是砂輪磨損導致。且砂輪磨損、磨削時間二者并非所屬完全線性關系，當磨削時間增加的時候，砂輪的磨損速度也會加快，螺桿的廓形誤差產生的波動范圍也逐漸擴大。

螺桿轉子誤差最大處是齒面、齒根的過渡處，原因是砂輪尖銳處磨損更為嚴重。根據螺桿的廓形誤差，選擇補償方法，設定補償參數。如若砂輪的磨損量達0.013mm的時候，由于磨損產生的廓形誤差，可經過參數調整使其降低，在±0.01mm以內，調整安裝參數以后，還可將砂輪每次休整磨削時間提高約1倍左右，利于螺桿轉子磨削成本控制。

驗證螺桿轉子的磨削加工粗糙程度，螺桿轉子磨削成型階段，轉子、砂輪處于不同接觸點，磨削深度、速度各有不同，實驗過程選擇不同點對其粗糙度進行測量，結果顯示，如果磨削深度在5μm，處于此磨削深度以下，工件、磨粒主要以摩擦、滑移等為主，測量點部分誤差不超過10%，個別位置誤差介于10%～15%之間，精度較高。磨削深度在2μm時，相對誤差可達到40%，主要原因是磨削深度減小，滑移被摩擦取代。磨削參數不同時，磨削厚度、工件速度以及砂輪速度處于穩定數值情，證明磨削深度減小，使得磨削逐漸從滑移轉向摩擦。

3 結語

綜上分析，針對螺桿轉子的精密磨削技術應用進行分析，根據切削加工原理，分析影響切削精度的主要原因，并提出誤差補償方法的運用，重點論述砂輪安裝過程中心距、磨損以及安裝角等因素對于螺桿廓形的誤差產生的影響，明確以上影響之間的關系，通過參數調整方法對于砂輪磨損導致廓形誤差進行控制，從而將成形過程的磨削效率有效提高創造滑移磨削環境，預測粗糙度，獲得磨削用量、切削厚度存在關系，獎勵預測模型，將螺桿轉子精密磨削過程粗糙度預測困難問題解決，有助于成形磨削技術的優化。